Questa è un'illustrazione della deformazione di un tamburo di grafene di dimensioni micron dalle forze concorrenti di una punta della sonda STM e dell'elettrodo di gate posteriore. Il ceppo nella membrana del grafene crea campi magnetici pseudo (non reali) che si alternano spazialmente su e giù (grafico colorato in rosso e blu) che confina i portatori di grafene e crea punti quantici quantizzati come livelli di energia. Lo sfondo è un'immagine di microscopia elettronica a scansione colorata dei tamburi di grafene fabbricati da un singolo strato di grafene esfoliato su una matrice di fossette della dimensione di un micron incise su substrati di biossido di silicio. Credito:N. Klimov e T. Li, NIST/UMD
I ricercatori hanno dimostrato di poter sintonizzare la tensione nel grafene sospeso come pelli di tamburo su fori microscopici in un substrato di ossido di silicio utilizzando la punta di un microscopio a sonda a scansione avanzata e una piastra conduttiva sotto il substrato. La regolazione del ceppo ha consentito al gruppo di creare aree nel grafene in cui gli elettroni si comportavano come se fossero confinati in punti quantici.
Stringere o allentare la tensione su una pelle cambierà il modo in cui suona la batteria. Lo stesso vale per le pelli di grafene, solo invece di cambiare il suono, lo stiramento del grafene ha un profondo effetto sulle proprietà elettriche del materiale. I ricercatori che lavorano presso il National Institute of Standards and Technology e l'Università del Maryland hanno dimostrato che sottoporre il grafene a sollecitazioni meccaniche può imitare gli effetti dei campi magnetici e creare un punto quantico, un tipo esotico di semiconduttore con un'ampia gamma di potenziali usi nei dispositivi elettronici.
I risultati sono stati pubblicati il 22 giugno 2012, problema di Scienza .
Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape. In grado di condurre elettricità con poca resistenza a temperatura ambiente, il grafene è un ottimo candidato per applicazioni che vanno dai display flessibili ai transistor ad alta velocità.
Però, la stessa mancanza di resistenza elettrica che rende il grafene attraente per alcuni usi lo rende anche poco adatto per applicazioni di elaborazione digitale. Il grafene conduce l'elettricità così bene perché non ha un band gap, una soglia energetica al di sotto della quale il materiale non conduce elettricità. Ciò significa che il grafene non può essere disattivato, " e i computer hanno bisogno di segnali "on" e "off" per trasmettere ed elaborare le informazioni.
Poiché i substrati rallentano la velocità degli elettroni che si muovono attraverso il grafene, Nikolai Klimov, un ricercatore post-dottorato dell'Università del Maryland che lavora al NIST, sospeso il grafene su fori poco profondi in un substrato di biossido di silicio, essenzialmente creando una serie di pelli di grafene. Per misurare le proprietà del grafene, il team ha utilizzato un esclusivo microscopio a sonda a scansione progettato e costruito presso il NIST.
Quando cominciarono a sondare le pelli dei tamburi, hanno scoperto che il grafene si è sollevato fino a incontrare la punta del microscopio, un risultato della forza di van der Waals, una debole forza elettrica che crea attrazione tra oggetti molto vicini tra loro.
"Mentre il nostro strumento ci diceva che il grafene aveva la forma di una bolla fissata ai bordi, le simulazioni eseguite dai nostri colleghi dell'Università del Maryland hanno mostrato che stavamo rilevando solo il punto più alto del grafene, " dice lo scienziato del NIST Nikolai Zhitenev. "I loro calcoli hanno mostrato che la forma era in realtà più simile alla forma che avresti se colpissi la superficie di un palloncino gonfiato, come un tepee o un tendone da circo".
I ricercatori hanno scoperto che potevano sintonizzare la tensione nella pelle del tamburo usando la piastra conduttiva su cui erano montati il grafene e il substrato per creare un'attrazione controbilanciante e abbassare la testa del tamburo. In questo modo, potrebbero tirare il grafene dentro o fuori dal foro sottostante. E le loro misurazioni hanno mostrato che la modifica del grado di deformazione ha modificato le proprietà elettriche del materiale.
Ad esempio, il gruppo ha osservato che quando hanno tirato la membrana di grafene nella forma a tenda, la regione all'apice ha agito proprio come un punto quantico, un tipo di semiconduttore in cui gli elettroni sono confinati in una piccola regione di spazio.
La creazione di regioni semiconduttive come i punti quantici nel grafene, modificandone la forma, potrebbe offrire agli scienziati il meglio di entrambi i mondi:l'alta velocità e il band gap cruciale per l'informatica e altre applicazioni.
Secondo Zhitenev, gli elettroni fluiscono attraverso il grafene seguendo i segmenti degli esagoni. L'allungamento degli esagoni riduce l'energia vicino all'apice della forma a tenda e fa sì che gli elettroni si muovano in posizione chiusa, orbite a forma di trifoglio, che imitano quasi esattamente il modo in cui gli elettroni si muoverebbero in un campo magnetico variato verticalmente.
"Questo comportamento è davvero notevole, " dice Zhitenev. "C'è un po' di dispersione di elettroni, ma abbiamo scoperto che se integrassimo il campo pseudomagnetico con un campo magnetico reale, non ci sono state perdite di alcun genere".
"Normalmente, per fare un punto quantico di grafene, dovresti ritagliare un pezzo di grafene di dimensioni nanometriche, ", afferma il membro del NIST Joseph Stroscio. "Il nostro lavoro mostra che è possibile ottenere la stessa cosa con campi pseudomagnetici indotti da deformazione. è un ottimo risultato, e un passo significativo verso lo sviluppo di futuri dispositivi basati sul grafene".
